Las ondas gravitacionales pueden haber hecho posible la vida humana

Publicado originalmente por David Appell en Phys.org, el 29 de marzo de 2024

Impresión artística de estrellas de neutrones fusionándose, produciendo ondas gravitacionales y dando lugar a una kilonova. Crédito: Mark Garlick, Universidad de Warwick, de Wikipedia bajo licencia CC BY 4.0.

¿Es posible que la existencia humana dependa de las ondas gravitacionales? Un equipo de investigadores dirigido por John R. Ellis, del Kings College de Londres, sugiere que algunos elementos clave de nuestra composición biológica pueden proceder de sucesos astrofísicos que se producen gracias a la existencia de ondas gravitacionales.

En concreto, el yodo y el bromo se encuentran en la Tierra gracias a un proceso nuclear concreto que ocurre cuando chocan estrellas de neutrones. A su vez, las parejas de estrellas de neutrones en órbita giran es espiral y colisionan debido a sus emisiones de energía en forma de ondas gravitacionales. Así pues, puede haber una relación directa entre la existencia de las ondas gravitacionales y la existencia de los mamíferos.

Los seres humanos están formados principalmente por hidrógeno, carbono y oxígeno, con muchos oligoelementos adicionales. (Hay 20 elementos esenciales para la vida humana.) Los que tienen un número atómico inferior a 35 se producen en las supernovas, implosiones de estrellas que han agotado su combustible nuclear y colapsado hacia el interior. El colapso da lugar a una explosión que arroja sus átomos por todo el universo.

Pero hay dos elementos que se obtienen por otros medios: el yodo, necesario en las hormonas clave producidas por la tiroides, y el bromo, utilizado para crear andamiajes de colágeno en el desarrollo y la arquitectura de los tejidos.

El torio y el uranio han tenido una importancia indirecta para la vida humana, ya que su desintegración radiactiva en el interior de la Tierra calienta la litosfera y permite la actividad tectónica. El movimiento de las placas tectónicas retira y sumerge el carbono de la corteza del planeta, que a su vez se retira de la atmósfera a través del agua que reacciona con el dióxido de carbono y los silicatos, evitando la posibilidad de un efecto invernadero desbocado como ha ocurrido en Venus.

Alrededor de la mitad de los átomos elementales pesados de la Tierra (más pesados que el hierro) se producen mediante lo que se conoce como "proceso r": el proceso de captura rápida de neutrones. El proceso r se produce cuando un núcleo atómico pesado captura una sucesión de neutrones libres antes de que el núcleo haya tenido la oportunidad de desintegrarse (normalmente por desintegración beta).

Con una densidad suficientemente alta de neutrones libres, calculada en unos 1024 por centímetro cúbico, y a altas temperaturas, en torno a mil millones de Kelvin, se absorben neutrones y se sintetizan isótopos más pesados de un elemento.

Ellis y sus colegas calculan que el proceso r ha proporcionado el 96% de la abundancia del isótopo de yodo 127I en la Tierra, esencial para la vida humana, y la mayor parte de la abundancia de bromo y gadolinio en la corteza terrestre, además de todo el torio y el uranio de la Tierra y una fracción del molibdeno y el cadmio.

¿Dónde se produce el proceso r? Una posibilidad es el material expulsado durante el colapso del núcleo de una supernova, explosiones de estrellas cerca del final de su vida termonuclear. Sin embargo, la física detallada de este proceso es incierta desde hace tiempo.

Un fenómeno en el que sí se produce el proceso r es la fusión de dos estrellas de neutrones, denominada kilonova. Estas fusiones están directamente provocadas por las ondas gravitacionales.

A medida que la pareja binaria se aproxima en espiral a lo largo de cientos de millones de años, hacia el final irradia una enorme cantidad de energía en forma de ondas gravitacionales. De hecho, fue precisamente un evento de este tipo el que produjo el evento de ondas gravitacionales GW170817 detectado en 2017 en los observatorios de ondas gravitacionales LIGO y Virga, en Estados Unidos. La cantidad de energía puede ser enorme: billones de billones de vatios en los últimos milisegundos.

Los estallidos de kilonovas son lugares importantes donde se produce el proceso r, ya que las estrellas de neutrones están formadas casi en su totalidad por neutrones. Además de los observatorios de ondas gravitacionales, otros detectores detectaron GW170817 en el espectro electromagnético y hallaron pruebas espectroscópicas del material creado y arrojado por la fusión.

El artículo concluye que el yodo esencial para la vida humana fue "probablemente producido por el proceso r en las colisiones de estrellas de neutrones inducidas por las emisiones de ondas gravitacionales, así como otros elementos pesados esenciales". El grupo sugiere buscar 129I en el regolito lunar, que no está contaminado por fuentes artificiales.

"Las colisiones de estrellas de neutrones se producen porque los sistemas binarios pierden energía emitiendo ondas gravitacionales", afirma Ellis, "por lo que estos fenómenos de física fundamental pueden haber hecho posible la vida humana".

Su artículo, "¿Debemos nuestra existencia a las ondas gravitacionales?", está disponible en el servidor de preimpresiones arXiv.

More information: John Ellis et al, Do we owe our existence to gravitational waves?, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2402.03593

Journal information: arXiv

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